基于移動端的交互式氣象科普系統(tǒng)搭建*

王子昕 蔣 斌 秦浩哲 張力文 薛經(jīng)萍

(江蘇省氣象服務(wù)中心,江蘇 南京 210008)

0 引 言

氣象服務(wù)涉及人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?且為各行各業(yè)的生產(chǎn)活動保駕護(hù)航。隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,廣大人民群眾和社會各界對于應(yīng)對氣候變化和氣象防災(zāi)減災(zāi)的要求越來越高。近年來,氣象科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展,氣象工作者需要讓氣象科技創(chuàng)新發(fā)展的紅利正向服務(wù)于社會各界,其中氣象科普工作是氣象服務(wù)工作中的重要環(huán)節(jié),對公眾具有重要意義。它不僅可以使公眾了解和掌握基本的天氣常識和防災(zāi)減災(zāi)知識,而且有利于提高人民的生產(chǎn)生活水平[1]。

傳統(tǒng)的氣象科普以文字、圖片等內(nèi)容為主,并通過書面載體進(jìn)行傳播。氣象科普館作為氣象知識的傳播媒介,雖然形式多樣,內(nèi)容豐富,但是資源利用率較低,且需要投入大量的人力物力,后期的維護(hù)和保養(yǎng)等將造成較大的經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)[2]。沈曄等[3]指出，宣傳氣象科普知識時(shí),通過圖文展示、實(shí)物展出等傳統(tǒng)方式,民眾缺少交互體驗(yàn)感,效果不佳,并提出在氣象科普中融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),來提升民眾的科普交互體驗(yàn)感。在推進(jìn)氣象科普產(chǎn)品制作和傳播過程中,需要加強(qiáng)利用先進(jìn)現(xiàn)代智能技術(shù),進(jìn)一步創(chuàng)新氣象科普的形式。近年來,隨著融媒體時(shí)代的到來以及新興技術(shù)的運(yùn)用,氣象科普的內(nèi)容和傳播途徑有了巨大的發(fā)展[4-6]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)通信等新興科技已經(jīng)在氣象科普領(lǐng)域中初步應(yīng)用[7-8],文字、圖片、視頻以更加高效的傳播方式來展示氣象科普信息,在使民眾直觀地理解氣象科普知識的同時(shí),提高了內(nèi)容的趣味性和形式的多變性。當(dāng)前,人工智能算法、移動互聯(lián)方案、智能移動設(shè)備、3維建模、計(jì)算機(jī)性能等領(lǐng)域發(fā)展迅速,需要加強(qiáng)利用先進(jìn)現(xiàn)代智能技術(shù),進(jìn)一步創(chuàng)新氣象科普的形式?；诋?dāng)前的網(wǎng)絡(luò)通信途徑、智能移動設(shè)備、后臺計(jì)算的算法和計(jì)算能力,本文提出基于移動端的交互式氣象科普產(chǎn)品的搭建方案,以提高氣象科學(xué)普及的綜合效益。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

以往的氣象科普是線性的、灌輸式的、非選擇性的,這往往會降低氣象知識傳播的效率。而交互式氣象科普則提供了可選擇的學(xué)習(xí)方式,使知識傳播的形式和內(nèi)容更加豐富,并通過搭載先進(jìn)的交互式動畫和圖像技術(shù),可以進(jìn)一步提升科普知識傳播的趣味性和表現(xiàn)力,加強(qiáng)受眾對科技概念的理解[7,9]。交互式科普的實(shí)現(xiàn)離不開大量軟件硬件的支撐,用戶通過適當(dāng)?shù)姆答伝虿僮?就能獲得想要的內(nèi)容,使信息傳達(dá)更加直觀。交互性已逐漸受到各個(gè)科普領(lǐng)域的重視,大量的技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用在各種交互式科普產(chǎn)品中。為了進(jìn)一步增強(qiáng)交互式科普產(chǎn)品的自然化、人性化、智能化,需要加強(qiáng)利用先進(jìn)的現(xiàn)代化智能技術(shù)。如今,移動互聯(lián)廣泛普及,移動通信技術(shù)也進(jìn)一步發(fā)展。移動端設(shè)備搭載的技術(shù)模塊越來越豐富,可實(shí)現(xiàn)的功能也越來越多樣,包含攝像、感光、收音、觸控、高清顯示、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信號發(fā)送接收、高性能計(jì)算等,這為交互式氣象科普提供了有利的條件。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3維建模技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像識別技術(shù)、聲音識別技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新興科技也越加成熟,將其應(yīng)用在氣象科普產(chǎn)品中,能進(jìn)一步提升氣象科普產(chǎn)品的交互性,科普的內(nèi)容和形式也能得以進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 框架構(gòu)建

基于移動端的交互式氣象科普系統(tǒng)包括交互信息采集、無線網(wǎng)絡(luò)通信、遠(yuǎn)程計(jì)算控制和科普內(nèi)容展示。將科普系統(tǒng)分為信息采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、邏輯計(jì)算層和應(yīng)用顯示層。應(yīng)用顯示層為科普系統(tǒng)的結(jié)果顯示層,負(fù)責(zé)顯示和輸出全部的計(jì)算結(jié)果和科普內(nèi)容,并提供可通過觸控指令進(jìn)行操作的功能界面。信息采集層利用智能移動設(shè)備的優(yōu)勢,負(fù)責(zé)對交互信息、氣象數(shù)據(jù)、指令信息進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)傳輸層利用高速穩(wěn)定的移動通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的傳遞和前臺后臺的互聯(lián)互通。邏輯計(jì)算層則利用高性能計(jì)算機(jī),計(jì)算響應(yīng)用戶的操作,對數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、處理和加工。

圖1為基于移動端的交互式氣象科普系統(tǒng)框架。智能移動設(shè)備(搭載拍攝模塊、收音模塊、觸控顯示模塊等)作為交互式科普系統(tǒng)的載體,邏輯上包含了信息采集層以及應(yīng)用顯示層,主要進(jìn)行交互信息和計(jì)算數(shù)據(jù)的智能采集,以及科普知識的多媒體展示。由移動端設(shè)備進(jìn)行采集的交互信息和計(jì)算數(shù)據(jù),通過移動端設(shè)備搭載的無線通信網(wǎng)絡(luò)(數(shù)據(jù)傳輸層)傳輸至后臺遠(yuǎn)程控制的計(jì)算機(jī);再由后臺高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的處理加工和識別判斷(邏輯計(jì)算層);處理結(jié)果和科普數(shù)據(jù)再由無線通信網(wǎng)絡(luò)回傳至移動端設(shè)備(數(shù)據(jù)傳輸層);最后由移動端設(shè)備進(jìn)行智能顯示,從而完成交互式氣象科普(應(yīng)用顯示層)。

圖1 基于移動端的交互式氣象科普系統(tǒng)框架

該框架的交互性主要體現(xiàn)在信息的實(shí)時(shí)采集,不僅有用戶自主選擇的指令信息,還有觸控信息、圖像信息、聲音信息、真實(shí)環(huán)境信息等。采集的信息作為計(jì)算數(shù)據(jù),通過無線快速傳輸和高性能計(jì)算為交互式科普模式提供支撐。在基于移動端的交互式科普框架下,需要尋找合適的科普對象,并設(shè)計(jì)匹配的氣象科普模塊,能充分利用采集的實(shí)時(shí)交互信息和高性能計(jì)算優(yōu)勢(搭載人工智能算法),實(shí)現(xiàn)方便快捷、科學(xué)合理的交互式氣象科普。

2 科普模塊設(shè)計(jì)

2.1 云類識別

在現(xiàn)行的地面氣象觀測規(guī)范中,按照云的外形特征、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和云底高度,云被分為3族10屬29類[10]。云的形成和變化趨勢反映當(dāng)時(shí)大氣的穩(wěn)定程度和水汽狀態(tài),其生消演變以及各類別之間的轉(zhuǎn)化,是預(yù)示未來天氣現(xiàn)象的重要指標(biāo)[11],直接影響民眾的生產(chǎn)生活。但是,云的類別復(fù)雜多樣,通過地面人工觀測難以區(qū)分。傳統(tǒng)的與云相關(guān)的氣象科普還停留在圖文、視頻、文字等灌輸式的科普方式,民眾對于與云相關(guān)的氣象科普知識的了解還比較匱乏。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及智能算法在氣象領(lǐng)域的快速發(fā)展[12],已經(jīng)使云類的判別由早期的目視判斷向自動化發(fā)展,且在云的機(jī)器識別領(lǐng)域,已經(jīng)有大量成熟的研究和已經(jīng)投入業(yè)務(wù)化使用的技術(shù)方案[13]。如今,利用人工智能圖像識別技術(shù)可以快速識別云的種類,滿足交互式科普的及時(shí)性要求。通過移動端搭載的攝像設(shè)備進(jìn)行云圖拍攝采集,并由無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,再由后臺計(jì)算機(jī)的人工智能算法進(jìn)行計(jì)算和判斷,可以精準(zhǔn)地識別當(dāng)前天空中云的種類,最后通過移動端設(shè)備顯示識別結(jié)果和科普內(nèi)容。將云類識別作為交互式氣象科普的對象是可行且重要的。

2.2 風(fēng)級判斷

聲音信號是自然界中最常見的信號之一,聲音信號是信息的來源,可以表征不同聲源的類別和場景,讓人類建立對外部世界的認(rèn)識[14]。隨著聲音信號智能識別技術(shù)的快速發(fā)展,聲學(xué)識別環(huán)境從安靜環(huán)境發(fā)展到復(fù)雜環(huán)境,聲學(xué)識別對象從人聲識別發(fā)展到自然界聲音識別[15]。聲音識別被廣泛應(yīng)用在自然保護(hù)、導(dǎo)航、安全監(jiān)控、交通、情景感知、公共安全等領(lǐng)域中,但在氣象科普領(lǐng)域的應(yīng)用還較少。

風(fēng)的概念是自然界的空氣流動,它是由溫差、氣壓差所引起的空氣在水平方向的流動產(chǎn)生的。風(fēng)力的大小由風(fēng)級來表示,依據(jù)《風(fēng)力等級》國家標(biāo)準(zhǔn),將風(fēng)力等級依次劃分為18個(gè)等級。在日常的天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中,風(fēng)級是重要的氣象信息,但是大多數(shù)民眾對于風(fēng)級和大風(fēng)預(yù)警信號的具體概念還不清晰,還不能很好地利用預(yù)報(bào)的風(fēng)級信息和發(fā)布的大風(fēng)預(yù)警信號進(jìn)行相關(guān)的防災(zāi)減災(zāi)活動。不同風(fēng)級的風(fēng)產(chǎn)生的聲音信號是有特定規(guī)律的,機(jī)器學(xué)習(xí)等算法模型的相互融合,讓風(fēng)級的智能識別成為可能[16]。近年來,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)算法在聲音識別的領(lǐng)域中快速發(fā)展。楊昊巖等[17]將深度學(xué)習(xí)與聲譜圖相結(jié)合,提出了實(shí)驗(yàn)室條件下,智能且快速的風(fēng)力等級識別方法。將風(fēng)級的智能識別作為交互式氣象科普的模塊是可行的。

風(fēng)級信息識別過程主要包含信息獲取、信息預(yù)處理、信息高維特征提取以及目標(biāo)識別等4個(gè)部分,這主要是通過基于移動端的交互式氣象科普系統(tǒng)來完成(圖1)。通過移動端搭載的收聲設(shè)備進(jìn)行環(huán)境聲音的采集,并由無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,再由后臺計(jì)算機(jī)的人工智能聲音識別算法進(jìn)行計(jì)算和判斷,可以精準(zhǔn)地識別當(dāng)前環(huán)境中風(fēng)的等級,最后通過移動端設(shè)備顯示結(jié)果和科普內(nèi)容。

2.3 臺風(fēng)模擬

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過多媒體、3維建模、實(shí)時(shí)跟蹤、智能交互等多種方式,將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境疊加與交融[18]。在氣象科普領(lǐng)域,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要被運(yùn)用在氣象科普館以及虛擬演播室,代替了傳統(tǒng)的科技含量不高、交互性和吸引力不強(qiáng)的圖文展板及模型,增強(qiáng)了氣象科普信息的可視化和交互性[19]。

南海與西北太平洋的熱帶氣旋,按其底層中心附近的最大平均風(fēng)速大小劃分為6個(gè)等級,其中風(fēng)力達(dá)12級或以上的,統(tǒng)稱為臺風(fēng)[20]。臺風(fēng)強(qiáng)度等級以及臺風(fēng)流場結(jié)構(gòu)(臺風(fēng)眼區(qū)、云墻區(qū)、螺旋雨帶區(qū))的劃分,給公眾對于臺風(fēng)的理解和判斷帶來困難[8]。近年來,氣象數(shù)據(jù)可視化技術(shù)快速發(fā)展[21],通過3維建?？梢院芎玫卣故九_風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、模擬臺風(fēng)流場[22-24],進(jìn)一步結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),進(jìn)行3維建模與虛擬渲染,這為臺風(fēng)科普的科學(xué)性、趣味性和真實(shí)性提供了支撐。

智能移動端設(shè)備搭載著攝像頭,以及感光、觸控、顯示、重力感應(yīng)等傳感器,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)景采集、動作追蹤、環(huán)境感知,以及融合顯示[25],通過移動設(shè)備的屏幕可以看到疊加在真實(shí)場景上的虛擬對象。因此,以搭建的交互式氣象科普系統(tǒng)為依托,將臺風(fēng)模擬作為科普模塊。用戶通過觸控指令(交互信息),改變氣象模型的關(guān)鍵物理量(底層中心附近最大平均風(fēng)速),并通過移動端設(shè)備采集實(shí)景信息,再由無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互信息和實(shí)景數(shù)據(jù)的傳輸,后臺計(jì)算機(jī)利用交互信息和實(shí)景數(shù)據(jù)進(jìn)行臺風(fēng)3維結(jié)構(gòu)模擬和虛擬場景渲染,最終由移動端設(shè)備進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模擬展示,實(shí)現(xiàn)便捷高效的交互式氣象科普。

3 應(yīng)用場景

如圖2所示,基于移動端的交互式氣象科普系統(tǒng)包含的科普模塊分別是云類識別、風(fēng)級判斷和臺風(fēng)模擬。這3個(gè)科普模塊通過智能移動端設(shè)備中的軟件界面顯示,供用戶自主選擇。在交互式氣象科普系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中,預(yù)存了對應(yīng)不同科普模塊的多媒體形式的科普內(nèi)容。

圖2 基于移動端的交互式氣象科普系統(tǒng)科普流程

這3個(gè)科普模塊的科普流程如下。

3.1 云類識別

首先,用戶通過交互式氣象科普系統(tǒng)的軟件界面,選擇云類識別模塊;接著通過移動端設(shè)備搭載的攝像頭拍攝功能,對當(dāng)前天空中的云進(jìn)行拍攝,獲得地基云圖數(shù)據(jù);云圖信息通過移動端設(shè)備搭載的無線網(wǎng)絡(luò)通信功能,傳輸至后臺高性能計(jì)算機(jī);其次，由高性能計(jì)算機(jī)提取有效特征,對云的類別進(jìn)行人工智能識別;邏輯計(jì)算結(jié)果再由無線通信網(wǎng)絡(luò)傳回;最后通過軟件的顯示界面展現(xiàn)多媒體形式的科普內(nèi)容(結(jié)合識別的云類),包括云類別的識別結(jié)果、對應(yīng)的云的特征、天氣特征、諺語、古詩詞、防災(zāi)減災(zāi)知識等。

在云類識別科普模塊功能下,用戶通過對現(xiàn)實(shí)天空中存在的云進(jìn)行拍攝,可以迅速識別當(dāng)前天空中云的種類,并結(jié)合匹配的文字、動畫等科普素材進(jìn)一步進(jìn)行科普講解,能充分認(rèn)識云的類別和特征。如果識別出的是積雨云(雷暴云),還能及時(shí)提醒謹(jǐn)防強(qiáng)對流天氣的發(fā)生[26]。該科普流程中,將眼前現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在的云體作為氣象科普的對象,將科普與眼前的現(xiàn)實(shí)場景相結(jié)合,更加真實(shí)可靠,簡化了交互的流程,實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)的講述模式向用戶自主探索、自主求知的模式轉(zhuǎn)變[27]。

3.2 風(fēng)級判斷

首先,用戶通過交互式氣象科普系統(tǒng)的軟件界面,選擇風(fēng)級判斷模塊;移動端設(shè)備將通過搭載的收聲功能,自動采集當(dāng)前環(huán)境中的聲音信號;采集的環(huán)境聲音數(shù)據(jù)將通過移動端設(shè)備搭載的無線網(wǎng)絡(luò)通信功能,傳輸至后臺高性能計(jì)算機(jī);其次，由高性能計(jì)算機(jī)利用人工智能聲音識別模型,判斷當(dāng)前環(huán)境中風(fēng)的等級;邏輯計(jì)算結(jié)果再由無線通信網(wǎng)絡(luò)傳回;最后通過用戶的選擇,在軟件的顯示界面中進(jìn)一步展現(xiàn)多媒體形式的科普內(nèi)容(結(jié)合判斷的風(fēng)級),包括風(fēng)級判斷結(jié)果、對應(yīng)的天氣特征、諺語、古詩詞、大風(fēng)預(yù)警信號、防災(zāi)減災(zāi)知識等。

在風(fēng)級判斷科普模塊功能下,通過用戶的自主采集,實(shí)時(shí)環(huán)境中風(fēng)的風(fēng)級被判別出來,配合相應(yīng)的科普素材,讓用戶對風(fēng)力等級有更加直觀的理解,增強(qiáng)了用戶進(jìn)一步了解的興趣,以達(dá)到非線性、交互式、情景化科普的目的。如果識別出當(dāng)前環(huán)境中風(fēng)的等級是8級及以上,還可呈現(xiàn)相應(yīng)的大風(fēng)預(yù)警信號,提醒用戶謹(jǐn)防大風(fēng)帶來的災(zāi)害和風(fēng)險(xiǎn),并提供大風(fēng)安全防護(hù)指南。

3.3 臺風(fēng)模擬

首先,用戶通過交互式氣象科普系統(tǒng)的軟件界面,選擇臺風(fēng)模擬模塊;通過移動端設(shè)備搭載的觸摸屏,以觸控的方式選擇臺風(fēng)底層中心附近的最大平均風(fēng)速級別;其次,包括攝像頭在內(nèi)的感光、觸控、顯示、重力感應(yīng)等傳感器將自動采集實(shí)景、追蹤動作,感知環(huán)境;然后,用戶的交互選擇信息以及環(huán)境信息將通過移動端設(shè)備搭載的無線網(wǎng)絡(luò)通信功能,傳輸至后臺高性能計(jì)算機(jī);再由高性能計(jì)算機(jī)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和臺風(fēng)3維建模技術(shù),對所選擇的強(qiáng)度進(jìn)行臺風(fēng)場景模擬(臺風(fēng)結(jié)構(gòu)、流場的虛擬渲染),讓用戶可以通過調(diào)整模型的物理量來改變其建模結(jié)果,實(shí)現(xiàn)掌控臺風(fēng)強(qiáng)度和天氣變化的能力;在此過程中,無線通信網(wǎng)絡(luò)保持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)雙向互聯(lián);模擬的臺風(fēng)場景將疊加在當(dāng)前顯示屏中的現(xiàn)實(shí)環(huán)境里,得到虛擬現(xiàn)實(shí)的動態(tài)畫面;最后通過用戶的選擇,進(jìn)一步展現(xiàn)多媒體形式的科普內(nèi)容(結(jié)合選擇的臺風(fēng)強(qiáng)度),包括臺風(fēng)級別信息、臺風(fēng)結(jié)構(gòu)知識、對應(yīng)的天氣特征、臺風(fēng)預(yù)警信號、防災(zāi)減災(zāi)知識等。

在臺風(fēng)模擬科普模塊功能下,臺風(fēng)的3維場景模型(用戶自主選擇等級)疊加在現(xiàn)實(shí)環(huán)境(移動端設(shè)備自動采集信息)中展示,達(dá)到創(chuàng)新的視覺效果,并配合上相應(yīng)的動畫和聲音,創(chuàng)造沉浸式科普模式。通過該科普模式的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)利用科技感來提高氣象科普的趣味性和交互傳播成效的目的[28],并增強(qiáng)用戶對臺風(fēng)相關(guān)科普知識的認(rèn)識,提高對臺風(fēng)天氣的關(guān)注度和防災(zāi)減災(zāi)的能力。

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)氣象科普是線性的、灌輸式的、非選擇性的,這會降低氣象科普的效率,而交互式的氣象科普模式則能優(yōu)化氣象科普的傳播形式和科普內(nèi)容。氣象科普工作需要充分利用先進(jìn)的現(xiàn)代化智能技術(shù),以實(shí)現(xiàn)交互式氣象科普?；谝苿佣说慕换ナ綒庀罂破障到y(tǒng)則通過構(gòu)建信息采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、邏輯計(jì)算層和應(yīng)用顯示層,科學(xué)合理地利用智能移動設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)通信、高性能計(jì)算、人工智能(圖像識別和聲音識別)、3維建模和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代化智能技術(shù)和設(shè)備，并以此為技術(shù)支撐,在氣象科普系統(tǒng)中搭建了以云類識別、風(fēng)級判斷和臺風(fēng)模擬為核心的氣象科普模塊,進(jìn)一步探討了科普應(yīng)用場景和科普流程。

依靠移動設(shè)備的靈活性和便捷性,改變了氣象科普的傳播方式,增強(qiáng)氣象科普的趣味性和交互性。大部分民眾日常使用的手機(jī)具備智能移動設(shè)備的全部功能,民眾利用手機(jī)可以完成本文搭建的氣象科普系統(tǒng)的科普流程。結(jié)合先進(jìn)的現(xiàn)代化智能技術(shù),基于移動端的交互式氣象科普系統(tǒng)，讓云、風(fēng)、臺風(fēng)等氣象要素成為交互式氣象科普的內(nèi)容,以達(dá)到氣象防災(zāi)減災(zāi)、氣象科普宣傳、擴(kuò)大氣象科普知識普及率的目的。未來,硬件、軟件、智能算法等還將進(jìn)一步發(fā)展,通過科學(xué)合理地利用,氣象科普的形式可以更加多樣,氣象科普的內(nèi)容可以更加豐富多彩。